不同支撐劑組合對(duì)復(fù)雜裂縫支撐效果的影響

張潦源 ，曲占慶 ，呂明錕 ，郭天魁 ，劉曉強(qiáng) ，王旭東

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

針對(duì)致密儲(chǔ)層采用滑溜水壓裂工藝，可形成較為復(fù)雜的裂縫，且儲(chǔ)層傷害小，成本低。該工藝被廣泛應(yīng)用于頁(yè)巖油氣和致密油氣的開(kāi)采中［1-3］，但由于滑溜水低黏的特性，它對(duì)支撐劑的攜帶能力不強(qiáng)，支撐劑運(yùn)移距離短，易沉降，裂縫的支撐長(zhǎng)度和分支縫的充填效果不理想［4］。為明確支撐劑在復(fù)雜裂縫中的運(yùn)移規(guī)律及支撐效果，潘林華等［5］通過(guò)開(kāi)展大尺度復(fù)雜裂縫支撐劑運(yùn)移及展布評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了次裂縫角度、注入排量、加砂質(zhì)量濃度、支撐劑組合、壓裂液黏度等對(duì)支撐劑運(yùn)移及展布的影響；溫慶志等［6-7］通過(guò)小型復(fù)雜裂縫裝置，研究了不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中支撐劑的運(yùn)移規(guī)律，得出支撐劑在不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主裂縫中運(yùn)移距離的大小排序；肖勇軍等［8］對(duì)不同支撐劑組合的導(dǎo)流能力進(jìn)行了研究；Alotaibi等［9-10］利用具有2級(jí)分支縫的平行板裝置（考慮粗糙度的影響），研究了支撐劑在復(fù)雜裂縫中的運(yùn)移情況，提出了砂堤高度比例等參數(shù)來(lái)量化最終砂堤形態(tài)，得出支撐劑進(jìn)入分支縫更依賴(lài)于主縫中砂堤高度的認(rèn)識(shí)；張礦生等［11］通過(guò)可視化平行板裝置研究了不同支撐劑組合在直縫中的運(yùn)移規(guī)律。

目前的研究主要明確了施工參數(shù)及裂縫形態(tài)對(duì)支撐劑運(yùn)移的影響規(guī)律，對(duì)于常用支撐劑組合注入方式的研究較少。實(shí)驗(yàn)所使用設(shè)備多為小型，且忽略壁面粗糙及濾失影響，缺少對(duì)近井帶砂堤形態(tài)的評(píng)價(jià)方法。為此，本文通過(guò)大型可視化復(fù)雜裂縫顆粒運(yùn)移鋪置模擬裝置（考慮壁面粗糙度和濾失的影響），對(duì)不同支撐劑組合在復(fù)雜裂縫中的運(yùn)移情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了評(píng)價(jià)近井砂堤形態(tài)的主要參數(shù)，且結(jié)合砂堤平衡高度等參數(shù)，形成了砂堤定量化評(píng)價(jià)的參數(shù)體系，弄清了不同支撐劑組合在復(fù)雜裂縫中的運(yùn)移規(guī)律和效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備

大型可視化復(fù)雜裂縫顆粒運(yùn)移模擬裝置［12-13］由混合注入系統(tǒng)、裂縫系統(tǒng)、回收過(guò)濾系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。裂縫系統(tǒng)是裝置中最重要的部分，主裂縫長(zhǎng)5.0 m、高0.6 m、寬5.0 mm，主裂縫兩側(cè)連接有角度分別為30°，45°，90°，135°，150°的分支縫，以及水平、60°斜水平的分支縫，每條分支縫長(zhǎng) 1.0 m、高0.6 m、寬3.0 mm（見(jiàn)圖1a）；通過(guò)在平行板一側(cè)開(kāi)濾失孔來(lái)模擬濾失，粘連一定數(shù)量的石英砂，來(lái)模擬粗糙壁面（見(jiàn)圖1b，1c。圖1c中右圖為左圖內(nèi)小區(qū)域的放大）；射孔套筒安裝在裂縫入口處，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)，可調(diào)節(jié)射孔密度（見(jiàn)圖1d）。該模擬裝置在尺寸及模擬條件上更接近真實(shí)裂縫，可模擬壓裂施工造縫之后攜砂液注入過(guò)程中支撐劑的運(yùn)移鋪置情況。

圖1 大型可視化復(fù)雜裂縫顆粒運(yùn)移模擬裝置示意

1.2 方案設(shè)計(jì)

壓裂液采用滑溜水，支撐劑為常規(guī)陶粒。采用不同支撐劑組合注入，目的是為了發(fā)揮小顆粒支撐劑易運(yùn)移的特點(diǎn)，支撐遠(yuǎn)端裂縫和分支縫，利用大顆粒支撐劑易沉降的特點(diǎn)，來(lái)改善近井帶裂縫的支撐。相關(guān)研究表明，在裂縫中先注入的支撐劑會(huì)沉降在近井帶裂縫中，后注入的支撐劑向裂縫深部運(yùn)移［14-16］。因此，有學(xué)者提出了在施工前期注入大顆粒支撐劑，致使其沉降在近井帶裂縫中，以改善近井帶裂縫的支撐效果，并獲得較高的導(dǎo)流能力，但目前在現(xiàn)場(chǎng)施工中為了避免砂堵等問(wèn)題，一般采用先小后大的支撐劑組合，施工后期注入大顆粒支撐劑，以改善近井帶裂縫的充填。

為研究最優(yōu)支撐劑組合，明確不同支撐劑組合在復(fù)雜裂縫中的運(yùn)移情況及效果，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了5組實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表1），壓裂液注入排量均為 10.8 m3/h，砂比（支撐劑與攜砂液體積之比）均為5%，壓裂液黏度均為5 mPa·s。其中，方案1無(wú)分支縫，為1條直縫。

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 結(jié)果及討論

2.1 砂堤形態(tài)評(píng)價(jià)

基于本次實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)了近井帶砂堤的特殊形態(tài)，并與前人研究成果對(duì)比，認(rèn)為有必要對(duì)近井帶砂堤形態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而目前大多數(shù)研究只對(duì)最終砂堤形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了定性分析，并不能體現(xiàn)該參數(shù)對(duì)支撐劑運(yùn)移的影響，無(wú)法分析其影響的程度。有學(xué)者提出了砂堤平衡高度、裂縫支撐劑充填比例及砂堤平衡時(shí)間等參數(shù)，這些參數(shù)偏重于砂堤的宏觀評(píng)價(jià)，無(wú)法體現(xiàn)砂堤不同部位的形態(tài)特征。張礦生等［11］提出了利用砂堤高度與平均砂堤高度的平方差來(lái)評(píng)價(jià)砂堤起伏情況，進(jìn)一步完善了砂堤形態(tài)評(píng)價(jià)參數(shù)。本次研究還發(fā)現(xiàn)，射孔對(duì)近井帶裂縫的砂堤產(chǎn)生較大影響，壓裂液通過(guò)射孔孔眼，分成多簇高速流體進(jìn)入裂縫，在近井帶裂縫中形成復(fù)雜的流場(chǎng)，導(dǎo)致支撐劑沉降減少，并沖蝕已經(jīng)形成的砂堤。由圖2可以看出：近井帶復(fù)雜流場(chǎng)對(duì)砂堤存在明顯的影響，砂堤形成一定坡度，近井帶有很大一部分面積沒(méi)被支撐劑充填，有必要對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)影響造成的近井帶砂堤的特殊形態(tài)進(jìn)行描述，以評(píng)價(jià)支撐劑在近井帶裂縫中的鋪置效果。圖2a中上方為T(mén)ong等數(shù)模結(jié)果，下方為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2d中砂堤左側(cè)未被支撐劑充填的梯形面積代表近井帶裂縫未充填程度S，其計(jì)算公式為

圖2 前人研究成果與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果中近井帶砂堤形態(tài)特征對(duì)比

式中：l為砂堤起始增長(zhǎng)點(diǎn)距井筒的距離，cm；H為砂堤平衡高度（即砂堤高度的平均值），cm；h為砂堤在井筒中堆積的高度，cm；α為近井帶砂堤角度（即近井帶砂堤坡度），（°）。

S，α可用來(lái)評(píng)價(jià)支撐劑在近井帶的沉降情況。本文利用現(xiàn)有的砂堤平衡高度、裂縫支撐比例、砂堤平衡時(shí)間和砂堤非均勻程度4個(gè)參數(shù)，結(jié)合對(duì)近井帶砂堤描述的α和S組成一個(gè)較為系統(tǒng)的砂堤形態(tài)評(píng)價(jià)體系，根據(jù)這6個(gè)參數(shù)對(duì)砂堤在裂縫中的鋪置形態(tài)進(jìn)行定量化描述和分析。

2.2 主裂縫中支撐劑運(yùn)移規(guī)律及效果

組合支撐劑注入的目的之一是提高主裂縫的支撐長(zhǎng)度，所以本次進(jìn)行了5組實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)直縫和復(fù)雜裂縫中不同組合支撐劑在主縫中的運(yùn)移鋪置情況進(jìn)行了對(duì)比研究。

2.2.1 直縫和有分支縫的主裂縫中支撐劑的鋪置情況

圖3a中從上到下分別為30°分支縫、主裂縫、150°分支縫中支撐劑的鋪置情況；圖3a，3b中，砂堤中2種篩目支撐劑有明顯的分界，分界線用綠色線標(biāo)出，綠線下方為40/70目支撐劑，上方為20/40目支撐劑；圖3c是對(duì)2組實(shí)驗(yàn)中主裂縫的砂堤形態(tài)輪廓取點(diǎn)后繪制而成的。利用砂堤平衡高度、裂縫充填比例、砂堤平衡時(shí)間等參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)方案1，2兩組實(shí)驗(yàn)主裂縫中的砂堤形態(tài)（見(jiàn)表2）。由表2可以看出：有分支縫的主裂縫砂堤形態(tài)與直縫相比，砂堤平衡高度增加6.8%，裂縫充填比例增加4.4%，砂堤平衡時(shí)間延長(zhǎng)，而近井帶砂堤角度和近井帶裂縫未充填程度2個(gè)參數(shù)變化不太明顯。

圖3 方案1與方案2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2 方案1，2實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主裂縫的砂堤形態(tài)參數(shù)

由圖3可以看出：40/70目支撐劑運(yùn)移受分支縫的分流作用影響較小，分支后主縫砂堤的增高主要是20/40目支撐劑沉降增多導(dǎo)致，這說(shuō)明在復(fù)雜裂縫中40/70目支撐劑有更好的運(yùn)移性能（見(jiàn)圖3a，3b）。由于方案1，2兩組實(shí)驗(yàn)參數(shù)一致，主裂縫在0～100 cm的砂堤形態(tài)差異不明顯（見(jiàn)圖3c），所以對(duì)于復(fù)雜裂縫改善近井帶充填的方法也適用于直縫壓裂。由于分支縫在100 cm處，其分流作用使得分支后主裂縫中攜砂液流量減小，沉降增多，砂堤高度增大，造成100 cm后砂堤形態(tài)產(chǎn)生了明顯差異。由于分支后主裂縫砂堤增高，導(dǎo)致砂堤的非均勻程度增加。

2.2.2 不同支撐劑組合在主裂縫中的運(yùn)移規(guī)律

圖4為不同支撐劑組合在帶有30°/150°分支縫的復(fù)雜裂縫中的鋪置形態(tài)。圖中綠色線為20/40目與40/70目支撐劑的分界線，藍(lán)色線為70/140目與40/70目支撐劑的分界線。

圖4 4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表3可知，方案4實(shí)驗(yàn)中主裂縫的砂堤高度最大，裂縫充填比例最大（見(jiàn)圖4c）。從實(shí)驗(yàn)照片（見(jiàn)圖5）發(fā)現(xiàn)，雖然2種不同篩目的支撐劑混合注入，但在沉降過(guò)程中會(huì)形成支撐劑的分選，導(dǎo)致其層疊狀鋪置，砂堤中20/40目支撐劑覆蓋了40/70目支撐劑，限制了部分40/70目支撐劑的運(yùn)移，不能充分發(fā)揮支撐劑組合的作用。方案5實(shí)驗(yàn)中，近井帶裂縫未充填程度較大（見(jiàn)圖4d）。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先加入的20/40目支撐劑在近井帶沉降，并達(dá)到了較好的鋪置效果；隨后在注入40/70目支撐劑的過(guò)程中，由于砂堤上方壓裂液流速大于40/70目支撐劑的平衡流速，40/70目支撐劑幾乎不產(chǎn)生沉降，但已經(jīng)沉降的20/40目支撐劑不斷經(jīng)受攜砂液沖蝕，砂堤高度逐漸減小，造成最終近井帶沉降效果較差。理論上，20/40目支撐劑會(huì)先沉降在近井帶，但壓裂過(guò)程中砂堤高度的穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，支撐劑的沉降和運(yùn)移不斷在砂堤上方發(fā)生，后期注入的小顆粒支撐劑幾乎不沉降，造成已經(jīng)沉降的支撐劑不斷被沖蝕，在近井帶復(fù)雜流場(chǎng)中，沖蝕作用更加明顯，使得近井帶充填情況變差。

表3 主裂縫的砂堤形態(tài)特征參數(shù)

圖5 支撐劑混合組合的層疊狀分布

方案2，3實(shí)驗(yàn)過(guò)程中近井帶未充填程度均低于其他方案（見(jiàn)圖4a，4b）。雖然前期注入的小顆粒支撐劑在近井發(fā)生了沉降，但沉降數(shù)量較少，更多的支撐劑進(jìn)入了分支縫或向主裂縫深部運(yùn)移，后期注入的大顆粒支撐劑能夠在近井帶大量沉降而改善近井裂縫的充填。相較于先大后小的支撐劑注入順序，近井未充填程度減小37%，所以在改善近井帶裂縫支撐時(shí)，采用先小后大的支撐劑組合方式效果較好。

另外，從圖4b看出：70/140目支撐劑在裂縫中的沉降較少，形成的砂堤高度僅為3 cm左右，在近井帶裂縫中幾乎無(wú)沉降。這說(shuō)明，滑溜水對(duì)70/140目支撐劑有較好的攜帶能力，絕大多數(shù)70/140目支撐劑都被攜帶進(jìn)裂縫深部，40/70目支撐劑形成的砂堤高度在6 cm左右，且起伏不大。因?yàn)?0/140目支撐劑在近井帶幾乎不沉降，40/70目支撐劑在近井裂縫中鋪置高度有限，所以實(shí)驗(yàn)中近井帶裂縫的支撐主要取決于20/40目支撐劑。

2.3 分支縫中支撐劑運(yùn)移規(guī)律及效果

支撐劑進(jìn)入分支縫主要通過(guò)2種方式：一是在主裂縫砂堤高度增長(zhǎng)過(guò)程中，支撐劑由于重力向分支縫中滑落；二是壓裂液的攜帶作用使支撐劑進(jìn)入分支縫。2種方式一般同時(shí)存在，當(dāng)分支縫中攜砂液流量較小時(shí)，重力占主導(dǎo)作用（見(jiàn)圖6）。

圖6 方案2實(shí)驗(yàn)過(guò)程中支撐劑在30°分支縫中的鋪置情況

由圖6a可知：在方案2實(shí)驗(yàn)前期，40/70目支撐劑在分支縫中形成的砂堤很均勻，此時(shí)主裂縫中砂堤高度較小，40/70目支撐劑依靠壓裂液的攜帶作用進(jìn)入分支縫，沒(méi)有因?yàn)榉种Эp中流量變小而發(fā)生快速沉降，整個(gè)流場(chǎng)接近水平，形成的砂堤較低，且均勻分布。由圖6b可知：加入20/40目支撐劑后，由于滑溜水對(duì)20/40目支撐劑的攜帶能力較差，并且分支縫中流量小，只能使得少量20/40目支撐劑以滾流形式向分支縫中運(yùn)移；隨著主裂縫中砂堤高度迅速增加，20/40目支撐劑由于重力作用大量向分支縫中滑落，形成了典型的重力作用主導(dǎo)的斜坡?tīng)钌暗绦螒B(tài)；主裂縫中砂堤達(dá)到平衡狀態(tài)后，砂堤高度不再增加，重力對(duì)支撐劑進(jìn)入分支縫的影響作用減弱，此時(shí)，支撐劑主要依靠壓裂液的攜帶作用進(jìn)入分支縫。由圖6c可知：20/40目支撐劑在砂堤上方以滾流的形式進(jìn)入分支縫，然后向斜坡下方滑落，分支縫中砂堤緩慢向前運(yùn)移，此時(shí)的砂堤高度主要取決于主縫的砂堤高度，砂堤的運(yùn)移速度取決于壓裂液攜帶進(jìn)入分支縫中支撐劑的數(shù)量。由于壓裂液對(duì)20/40目支撐劑的攜帶能力有限，所以20/40目支撐劑在分支縫中的運(yùn)移距離較小。由圖7可以看出：方案3實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，70/140目支撐劑在分支縫中表現(xiàn)出比40/70目支撐劑更好的運(yùn)移能力。如圖7a所示，70/140目支撐劑注入過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的沉降，支撐劑在壓裂液中分布均勻，分支縫中液流的轉(zhuǎn)向及流量的減小并未對(duì)70/140目支撐劑的運(yùn)移產(chǎn)生明顯影響；如圖7b所示，70/140目支撐劑最終形成的砂堤高度很低，大部分進(jìn)入分支縫的70/140目支撐劑都能運(yùn)移到分支縫的深部。70/140目支撐劑優(yōu)異的運(yùn)移性能對(duì)于提高分支縫的支撐縫長(zhǎng)及支撐2級(jí)分支縫形成有效支撐的縫網(wǎng)具有重要意義。

圖7 方案3實(shí)驗(yàn)過(guò)程中支撐劑在30°分支縫中的鋪置情況

前面提到，在方案4條件下，支撐劑在主裂縫中會(huì)形成分選，導(dǎo)致層疊分布，這種分選在分支縫中依然存在。實(shí)驗(yàn)前期，進(jìn)入分支縫的支撐劑以40/70目支撐劑為主，形成了形態(tài)較均勻的砂堤，說(shuō)明混合時(shí)小顆粒支撐劑更容易進(jìn)入分支縫。由于主裂縫中砂堤高度增長(zhǎng)速度很快，2種篩目支撐劑開(kāi)始以重力作用進(jìn)入分支縫，此時(shí)形成的砂堤中支撐劑以層疊狀分布，大顆粒支撐劑限制了小顆粒支撐劑在分支縫中的運(yùn)移。由圖8a可以看出：方案5實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，前期加入20/40目支撐劑時(shí)，分支縫中的砂堤形態(tài)依然是斜坡?tīng)睿蝿┳钸h(yuǎn)運(yùn)移距離為1 m，這說(shuō)明，20/40目支撐劑無(wú)論是前期注入，還是后期注入，在分支縫中的運(yùn)移能力都有限。由圖8b可以看出：后期注入40/70目支撐劑時(shí)形成的砂堤也是斜坡?tīng)?，但是與前幾組斜坡?tīng)钌暗痰某梢虿煌?，壓裂液?duì)后期注入的40/70目支撐劑有較好的攜帶能力，但是由于前期形成的20/40目支撐劑斜坡?tīng)钌暗?，使得分支縫中流場(chǎng)變?yōu)橄虻撞績(jī)A斜的流場(chǎng)。流場(chǎng)改變使得支撐劑損失了部分水平運(yùn)移速度，垂直沉降速度變快，支撐劑更容易在裂縫入口處大量沉積，支撐劑在分支縫入口的堆積也限制了后續(xù)支撐劑的進(jìn)入。因此，先大后小的支撐劑注入順序不僅會(huì)對(duì)近井充填產(chǎn)生消極影響，而且前期分支縫入口處形成的大顆粒支撐劑砂堤會(huì)改變流場(chǎng)，使得小顆粒支撐劑在分支縫中的運(yùn)移距離變短。綜合5組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)先小后大的支撐劑組合能實(shí)現(xiàn)分支縫中支撐劑的最優(yōu)鋪置，且前期需要小于40/70目的支撐劑。

圖8 方案5實(shí)驗(yàn)過(guò)程中支撐劑在30°分支縫中的鋪置情況

3 結(jié)論

1）提出了近井帶砂堤角度和近井帶裂縫未充填程度2個(gè)參數(shù)，與砂堤平衡高度、裂縫支撐比例、砂堤平衡時(shí)間和砂堤非均勻程度等4個(gè)參數(shù)形成較完善的砂堤形態(tài)評(píng)價(jià)體系。分支縫的存在會(huì)對(duì)分支后主裂縫中的砂堤形態(tài)產(chǎn)生較大影響，對(duì)近井帶砂堤形態(tài)影響不大，40/70目支撐劑在復(fù)雜裂縫中有較好的運(yùn)移能力。

2）混合支撐劑注入時(shí)，2種篩目支撐劑呈層疊狀分布，限制了小顆粒支撐劑的運(yùn)移，40/70目支撐劑優(yōu)先進(jìn)入分支縫，但主裂縫中砂堤高度增加之后也會(huì)出現(xiàn)2種支撐劑層疊狀分布。先大后小的支撐劑組合在前期形成的20/40目支撐劑砂堤后期要經(jīng)受攜砂液的不斷沖蝕，使得近井帶充填效果變差，且20/40目支撐劑在分支縫中形成的斜坡?tīng)钌暗淌沟煤笃谧⑷氲?0/70目支撐劑在分支縫中更容易沉降，運(yùn)移距離減小。

3）改善近井帶充填和分支縫支撐效果的最優(yōu)組合方式是先小后大的組合，并且前期支撐劑目數(shù)要小于40/70目；70/140目支撐劑在分支縫中有很好的運(yùn)移能力，對(duì)于支撐2級(jí)分支縫形成有效支撐縫網(wǎng)具有重要意義。